低屈服点中心支撑钢框架结构基于目标性能4和性能3下的抗震设计*

郭军忠 丁琪

(江苏城乡建设职业学院 江苏常州 213147)

0 引言

我国是一个地震多发国，玉树、汶川以及雅安地震带给我们深切伤痛的同时也引发了人们的思考，造成这一系列灾害主要来源于震后建筑物的损毁和倒塌。所以，研究稳定、可靠的抗震结构体系以及搭建完善的抗震设计理论和方法是广大地震工程学者共同面对的一道难题[1]。

目前，对于中心支撑-钢框架结构的研究已比较成熟，但是大多集中在构件层次上，对该体系的设计方法尚处于探索阶段，这就严重阻碍了中心支撑-钢框架结构的应用。随着建筑物抗震等级要求的越来越高，地震工程学者提出了一种基于性能的抗震设计方法。所以，该设计方法将有效推广中心支撑抗侧力体系的运用与实践。

基于性能的抗震设计是指在各级地震作用下，建筑结构的破坏程度是可以预见的，是在预期的要求之内的，不仅仅是满足我国《建筑抗震设计规范》[2]上要求的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准设防标准，这是最基本的目标，是为了保障人的生命安全为底线。同时，性能化设计也要达到经济损失最小的目的[3]。其本质是通过控制结构变形和破坏形态，进而进行预期的设计，这就要求工程学者提前确定设防水准、性能水准及性能目标。

将采用SAP2000对结构算例进行Pushover分析，支撑定义轴力铰(P铰)，框架梁和柱两端分别定义弯矩铰(M铰)和压弯相关铰(PMM铰)，水平加载模式选用均匀分布及倒三角分布模式。

为验算低屈服点中心支撑钢框架结构在两种性能目标下的准确性，对不同性能目标下3种设防目标的层间位移角进行试算，使得整个结构的最大层间位移角略大于或者接近所量化的各个限值要求，然后查看此时结构是否符合前面所量化的指标，若符合，则代表所量化的性能指标满足要求，可以对结构进行性能化设计，若不满足，则需要重新对结构的各个性能目标进行分析，直到所量化的指标满足既定要求。低屈服点中心支撑钢框架结构在性能目标3和性能目标4下的量化指标如表1所示。

表1 结构抗震性能水平量化指标限值

1 工程概况

本工程是由横向3跨和纵向7跨的钢框架结构组成。其中，带中心支撑跨和非中心支撑跨均为7.2 m，层高3.6 m，共10层，共计36 m，结构平面示意图如图1所示，选取轴线2出一榀框架进行分析，其立面示意图如图2所示。抗震设防烈度为8度(0.30 g)，Ⅱ类场地土，第一组；楼面与屋面均采用120 mm厚现浇钢筋混凝土楼板，楼面恒载(包含自重)4.15 kN/m2，活载取为2.0 kN/m2；屋面恒载(含板自重)5.1 kN/m2，活载为2.0 kN/m2；标准层外墙荷载为17 kN/m；屋面女儿墙荷载为4.1 kN/m；楼板混凝土等级为C30；钢框架结构节点处采用栓焊式的刚性连接方式，钢框架梁和柱都采用高强度的Q345B钢，而中心支撑处采用低强度的LYP100钢，其设计理念就是为了保证结构设计过程中的“强框架，弱支撑”。

图1 拟建建筑物结构平面(单位：mm)

图2 轴线2处一榀三跨横向框架(单位：mm)

2 目标性能4的指标量化验证分析

将性能目标4下对应的3种设防目标限值分别作为低屈服点中心支撑钢框架结构的预定性能目标，其限值要求分别为：多遇地震下的1/450，设防地震下的1/150以及罕遇地震下的1/53。分析结果如下：多遇地震下的层间位移角如图3(a)所示，设防地震下的层间位移角如图3(b)所示，罕遇地震下的层间位移角如图3(c)所示。

(a)多遇地震

通过对结构在性能目标4下的pushover分析得出倒三角分布下结构塑性铰如下：多遇地震下，4层受压支撑出现塑性铰；设防地震下，绝大多数受压支撑出现塑性铰，部分受拉支撑也出现塑性铰；罕遇地震下，除支撑大面积出现塑性铰外，框架梁也出现了塑性铰，框架柱保持完好。均匀分布下结构塑性铰如下：在多遇地震下，1到4层受压支撑出现塑性铰；设防地震下，除受压支撑出现塑性铰，受拉支撑1～5层也出现塑性铰；罕遇地震下，除支撑大面积出铰，同样框架梁1～6层大面积出铰。

3 目标性能3的指标量化验证分析

将性能目标3下对应的3种设防目标限值分别作为低屈服点中心支撑钢框架结构的预定性能目标，其限值要求分别为：多遇地震下的1/650，设防地震下的1/270以及罕遇地震下的1/130。分析结果如下：多遇地震下的层间位移角如图4(a)所示，设防地震下的层间位移角如图4(b)所示，罕遇地震下的层间位移角如图4(c)所示。

(a)多遇地震

通过对结构在性能目标3下的pushover分析得出倒三角分布下结构塑性铰如下：多遇地震下，4层受压支撑出现塑性铰；设防地震下，绝大多数受压支撑出现塑性铰，1～4层受拉支撑也出现塑性铰；罕遇地震下，支撑大面积出现塑性铰外，框架梁和框架柱保持完好，没有出现塑性铰。均匀分布下结构塑性铰如下：在多遇地震下，2层受压支撑出现塑性铰；设防地震下，除受压支撑出现塑性铰，受拉支撑1～5层也出现塑性铰；罕遇地震下，支撑大面积出铰，但是框架梁和柱保持完好。

4 结论

通过对比低屈服点中心支撑钢框架结构分别在性能目标3和性能目标4下的设计结构，分别从结构的层间位移角以及结构在均布荷载、倒三角荷载作用的出铰情况，得出以下结论。

(1)在多遇地震下：在性能目标4下，个别受压支撑出现塑性铰，外框架完好，结构基本保持弹性状态。在性能目标3下，2层受压支撑出现了塑性铰，其他支撑均未出现塑性铰，外框架完好，结构保持弹性状态。

(2)在设防地震下：在性能目标4下，无论是均布荷载还是倒三角荷载作用下，大部分支撑出现塑性铰，而框架梁和柱保持完好，低屈服点支撑可继续承担相应荷载。在性能目标3下：受压支撑大面积出现塑性铰，而1到3层部分受拉支撑出现少量塑性铰，但相较于性能4支撑部分富余度更大，同时，外框架梁和柱保持完好，依旧没有出现塑性铰，低屈服点中心支撑可继续承受荷载。

(3)在罕遇地震下：性能目标4下，由于地震等级的提升，除低屈服点中心支撑出铰，框架结构的梁也在大面积出铰，但是框架柱保持完好，除支撑达到极限状态，结构框架梁和柱仍可承受部分荷载。性能目标3下，罕遇地震下绝大多数受压支撑已变为红铰，已达到极限状态，虽然大部分手拉支撑也出铰了，但仍可承担部分荷载，同时，结构的框架梁和柱保持完好，没有出现塑性铰，并且在两种性能目标下结构的实际最大层间位移角均接近性能目标4下的3个量化指标，结构仍有很大富裕度，可继续承受荷载，满足两种性能目标下对应的3种设防目标限值要求。

(4)性能3的安全等级比性能4提高了一级，故设计的梁柱截面尺寸也稍微大于性能4所设计的，对比两者看出，性能3的耗能性能较性能4不是很明显，但从整体分析可以看出，低屈服点中心支撑钢框架结构在两种性能目标下都发挥了很大的作用，证明所设计的低屈服点中心支撑钢框架结构具有良好的抗震性能。